微波等離子體發射光譜法測定乳及乳制品中的11種元素

姚春毅， 李東東， 唐錄華， 高文惠*， 劇京亞， 李玉樸

(1.石家莊海關技術中心，河北石家莊 050051；2.河北科技大學生物科學與工程學院，河北石家莊 050000)

乳及乳制品是人們生活中重要的食品，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對乳及乳制品的需求量也不斷增加，在需求增加的同時，人們也更加關注其營養成分和衛生安全。乳制品中含有豐富的蛋白質、脂肪、碳水化合物、礦物質元素等多種營養成分。其中礦物質包含Ca、Fe、K、Na、Fe、P等多種元素，在人體生長過程中起到重要的作用[1]。

目前，測定乳及乳制品中元素的主要方法有火焰原子吸收光譜法[2,3]、石墨爐原子吸收光譜法[4,5]、原子熒光光譜法[6,7]、電感耦合等離子體發射光譜法[8,9]及電感耦合等離子體質譜法[10 - 11]等。火焰原子吸收光譜法使用成本較低，分析樣品用量多，靈敏度差，適用于易原子化的元素測定，每次測定一種元素，檢測效率低；石墨爐原子吸收光譜法靈敏度高，分析樣品用量少，適用測定痕量元素，但每次也只測定一種元素，需要用基體改進劑提高灰化溫度和原子化溫度，減少基體干擾，測定高含量元素時，易造成石墨管記憶效應；電感耦合等離子體發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法都具有多種元素同時測定，線性范圍寬，靈敏度高等優點，但儀器價格昂貴，操作復雜，維護成本高，高純氬氣作為載氣使用量大等缺點。微波等離子體發射光譜法(MP-OES)能夠同時測定多種元素，采用氮氣作為載氣，增加了儀器使用的安全性；氮氣可以通過氮氣發生器制得，大大節約了儀器使用成本；與傳統的原子吸收光譜法相比，具有更高的靈敏度、更寬的線性范圍及更高的檢測效率。本文采用微波灰化前處理技術，微波等離子體原子發射光譜法測定乳及乳制品中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P 11種元素。方法簡便快速，準確度高，采用氮氣代替氬氣作為載氣，大大節約實驗成本。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑材料

Agilent4200微波等離子體發射光譜儀(美國，Agilent公司)；Phoenix微波灰化系統(美國，培安科技公司)；EH35B電熱板(美國，萊伯泰科有限公司)；氮氣發生器3055(英國，PEAK公司)；Milli-Q超純水制備裝置(美國，Millipore公司)；電子天平(瑞士，梅特勒公司)。

K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標儲備溶液(濃度為1 000 μg/mL，鋼鐵研究總院國家鋼鐵材料測試中心)；HNO3(純度為BVⅢ，北京化學試劑研究所)；H2O2(優級純，北京化學試劑研究所)；高純氬氣≥99.999%；超純水(電導率為18.2 MΩ·cm)。標準參考物質：奶粉(GSB-8)。

鮮奶、酸奶、奶粉樣品均為市售產品。

1.2 標準溶液的配制

將濃度為1 000 μg/mL的K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標儲備溶液，用5%HNO3溶液為介質配制成一系列11種元素混合標準工作溶液，其中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn濃度分別為0.0、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 mg/L，Mn、Cu、Ba、Cr濃度分別為0.0、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08 mg/L，P濃度分別為0.0、10.0、20.0、30.0、40.0、60.0 mg/L。

1.3 樣品前處理

稱取0.50 g樣品(準確至0.1 mg)于石英纖維坩堝中，放入微波灰化系統中進行灰化。微波灰化條件：第一步 功率1 200 W，爬升時間5 min，溫度90 ℃，保持5 min；第二步 功率1 200 W，爬升時間10 min，溫度500 ℃，保持25 min；第三步 功率0 W，爬升時間0 min，溫度90 ℃，保持25 min。灰化結束后，取出坩堝，冷卻至室溫，加入2 mL 5%HNO3，在90 ℃電熱板加熱溶解后，轉移至25 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，備用。同時做空白試驗。

1.4 儀器分析條件

霧化室：雙路旋流霧室；霧化器：One Neb霧化器；霧化器流量：0.5～0.85 L/min；讀取時間：3 s；提升時間：40 s；穩定時間：35 s；背景校正：Auto；自動進樣器：Agilent SPS3；氣源：氮氣發生器。

2 結果與討論

2.1 微波灰化條件的選擇

參考我國食品安全國家標準采用的傳統干法灰化法，方法中灰化溫度大多采用500 ℃作為灰化溫度，再結合對實際樣品的研究發現，在500 ℃條件下能夠將樣品完全灰化。因此選擇灰化溫度為500 ℃。為防止液體樣品在灰化過程由于升溫過快造成噴濺，先采用90 ℃低溫預處理5 min，再程序升溫至500 ℃的加熱方式。然后將樣品在500 ℃條件下，分別保持10、15、20、25、30、35、40 min。結果表明，樣品在500 ℃條件下保持20 min以上均能使樣品灰化完全。綜合考慮樣品性質不同、減少能耗、降低檢測周期等因素，選擇25 min作為灰化時間。

2.2 儀器最佳工作條件的選擇

采用MP-OES法，被測元素被激發時可發射多條譜線，通過軟件選擇特征譜線強度大，背景小、受干擾小的波長，且信背比最大的發射譜線作為被測元素激發波長。將K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標儲備液(1 mg/mL)，稀釋配制成K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr濃度均為1 mg/L、P濃度為40 mg/L的混合標準溶液，然后分別進行波長掃描，選擇最佳分析譜線。優化后的被測元素波長見表1。

霧化氣流量的大小對進樣量和霧化效率都有重要的影響，從而影響被測元素信號強度。本方法將K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標儲備液(1 mg/mL)，用5%HNO3配制成K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn濃度為1 mg/L，Mn、Cu、Ba、Cr濃度為0.1 mg/L，P濃度為40 mg/L的混合標準溶液，將該溶液導入MP-OES儀中，通過儀器分析軟件，自動優化霧化氣流量，調節霧化氣流量最優條件，優化結果如表1所示。同上條件下，通過儀器分析軟件，自動優化監視窗位置，優化結果如表1所示。

表1 各元素最佳工作條件

(續表1)

2.3 線性關系和檢出限

按“1.2”方法配制一系列不同濃度的混合標準溶液，在儀器最佳工作條件下，繪制標準曲線。在相同條件下，MP-OES儀連續測定空白溶液11次，以3倍的標準偏差計算出待測元素的檢出限，結果見表2。從表2中可以看出，11種元素在線性范圍內線性相關系數≥0.9996，線性關系良好。

表2 方法的線性范圍、回歸方程、相關系數和檢出限

2.4 回收率和精密度試驗

本方法對市售乳制品進行加標回收試驗，鮮奶和酸奶各取8份樣品。依據實驗結果計算加標回收率和相對標準偏差(RSD)，結果見表3。由表3可知，平均回收率在91.8%～115%之間，RSD為0.62%～4.06%。另外，從表3中還可以看出，鮮奶和酸奶樣品中，除Mn、Cr未檢出外，其余元素均有檢出，且有些元素含量較高。

表3 市售樣品分析結果及回收率和精密度(n=8)

(續表3)

2.5 標準物質驗證

采用本方法對奶粉標準物質(GSB-8)平行測定8次，以驗證方法的準確性和精密度，檢測結果見表4。從表中看出，8次測定結果平均值均在認定值范圍內，RSD在1.3%～5.3%之間。表明方法具有良好的準確性和精密度。將測定結果輸入SPSS軟件，在置信區間α=0.05與標準值進行顯著性差異比較，結果表明，采用MP-OES測定奶粉標準物質(GSB-8)得到的測定結果與標準物質標準值比較沒有顯著性差異。

表4 奶粉標準物質(GSB-8)測定結果(n=8)

2.6 實際樣品測定

對市售鮮奶、酸奶和奶粉共15份樣品進行測定，測定結果顯示，K、Ca、P和Na在鮮奶、酸奶和奶粉中含量較高，其次是Fe、Mg和Zn元素，其他元素含量較低。我國國家標準(GB 2762-2017)《食品安全國家標準 食品中污染物限量》[12]中規定生乳和發酵乳中Cr限量為0.3 mg/kg，乳粉中Cr的限量為2.0 mg/kg，所測樣品酸奶中未檢出Cr，其鮮奶及奶粉中Cr均未超出限量。

3 結論

采用微波等離子體發射光譜法測定了乳及乳制品中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr及P 11種礦物質元素。微波灰化可快速處理乳及乳制品樣品，節省了前處理灰化時間；優化了儀器的工作條件，檢出限在0.01～1.5 mg/kg之間。方法快速、簡便、準確度高，精密度好，可以滿足乳及乳制品中多種元素同時測定的要求。